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或许物理学中最基本的思想就是能量守恒。滚下山的圆球的〃能量〃随着球体滚动和运动速度的增大而增加。所增加的是运动能量或者称做动能。随圆球速度增大而增加的动能严格的等于在地球重力作用下与球体位置联系在一起的另一项特性的减少（随着圆球在路途中位置的降低）。这后一种特性就是〃势能〃或者称做〃位能〃。如果我们把这个圆球的动能和势能加在一起，我们就得出它的总能量。这个总能量是一个固定不变的数值。物理学告诉我们，这个总能量是不会改变的，也就是说不会无中生有或从有变无，能量只能由一种形式变到另一种形式。这就是能量守恒。
过了许多年，这条珍贵的守恒定律必须扩充，把像热这样的一些其他现象也得合并进来。这一层已经得到了很好地理解和接受。现在再来考虑核裂变时所发生的情况。前一秒钟尚且在那里的原子核，下一秒钟就飞散开。突然就出现了原来并不存在的动能。这里必须对计算总能量的明显增大提出另外的说法。仔细地计算表明，碎裂的核的质量比原来的质量少，多出的能量与失去的质量之间的关系是，能量等于质量乘以光速（常写做c）的平方。所以我们说，质量与能量是等效的，在数值上能量等于质量乘以比例常数c^２。写成公式就是E=mc^2，或许这是物理学中最广为人知的公式。爱因斯坦在把孤立的空间和时间概念发展到空时概念之后，在要求能量和动量仍然遵守守恒定律的条件下，从理论上得出了质量与能量关系的结论。当人们发现这个公式完全正确时，由衷地为理论所取得的伟大成果而惊喜！在宇宙射线物理学中，人们经常打交道的是高能粒子。这些高能粒子的动能往往要比其静止质量所对应的能量大得多。这就意味着，这些粒子的质量往往是变化的，而且在数值上非常接近动能除以c^２。于是，往往倾向于大谈粒子能量而不谈其静止质量。例如，我们可能谈到有颗能量为50MeV的电子。我们知道，电子的静止质量（为了方便通常以能量单位来表示）约为0。5MeV，即便就此适中的电子能量而言，其静止质量不过只占电子总质量/能量的约1％。所以，我们倾向于只考虑粒子的总能量（即便只是动能）。
在电子能量为50MeV的情况下，用焦耳（常用能量单位，爱因斯坦方程中要求采用的单位之一）做单位，能量是50×10^６×16×10^…19焦耳。通过除以c^２（即3×10^8×3×10^8）的计算，就换算成了粒子的总质量，算得的结果大约为9×10^29千克。这是一个很小的量值，但仍然是教科书上所引用的电子质量的大约100倍。
在宇宙射线物理学中爱因斯坦质量/能量关系所以极其重要有两个方面的理由，这从以前的例证中可以得到验证。首先，从原理上看，只要具备了适当的物理机制，我们就能把50MeV的电子能量转变成其他粒子的质量。这正是宇宙射线簇射所实现的过程。甚高能宇宙射线将其动能转变成一大群实在的粒子的质量，这就是单个初级粒子形成次级粒子的簇射过程。第二，与质量等效的能量实际上就是质量。例如，在我们计算磁场中宇宙射线粒子的路径时，其螺旋曲线尺度所要求的质量就是所包括的能量除以c^2算得的质量，计算结果是惟一的正确答案。所需要的包括能量在内的全部质量，就是质量的适用数值。在宇宙射线的研究中，由于粒子的能量极其巨大，所以往往不需要再作加上粒子静止质量的烦劳计算。
附录2 单位和标度
距离
宇宙射线研究中所涉及的距离非常遥远，所以在通常的距离测量中采用与天文学中测量其他距离相同的单位。距离单位既用光年也用秒差距。1光年就是光（在真空中，或者从实际效果看在宇宙空间）行进1年所走过的距离。1光年约等于1016米。这个单位显然很大，但就天文学中的使用情况来看仍嫌太小。例如，我们到太阳的距离约为8光分，离我们最近的恒星距我们就有好几光年，我们的家银河系的直径竟有数万光年。人们对浩瀚空间真实意义的初步反应，很快就把人类的经验引向无限广阔的前景展望。由于历史原因，职业天文学家采用的与距离相关的单位称做秒差距（pc），这个距离单位略长于3光年。
在像星系之间的距离这样巨大距离上，由于常根据宇宙膨胀的速率来估算距离，所以在距离测量中存在着测量基础的不确定性，以至这个速率的准确数值一直是大家争论的主题，被大家认可的程度不高，速率数值的差别之间并不比因数2好多少。
电子伏（eV）
宇宙射线能量的测量单位是电子伏（eV）。单个电子通过一伏特的电势取得的能量就是1电子伏。例如，每个电子在干电池回路中的两个电极间通过后，其能量将改变1。5个电子伏。这个值非常小。1焦耳（能量的标准单位）能量的数值约为6×10^18电子伏。在靠近地球的地方测得的最低能量宇宙射线约有10亿电子伏的能量（有时写1GeV）。我们知道，最高能量的宇宙射线的能量高达10^20eV以上。
每平方厘米·克（g·cm^…2）
宇宙射线在物质材料中随着向前行进而被逐渐吸收。比较方便的办法是能说出它穿过多少物质材料。这是通过设想围绕粒子路径有一个横截面为1平方厘米的圆柱而作到的。我们通过测量这一圆柱体中物质材料的质量来给出它穿过了多少物质。所采用的单位就是每平方厘米·克（g·cm^…2）。由于人们通常对粒子在行程中产生相互作用的次数感兴趣，使得采用这个新颖的测量距离的办法显得非常实际。假如用米作单位测量距离，则这一数值在稠密材料中很大而在稀疏材料中很小。但是，采用这个测量单位后，清楚地表明产生的相互作用次数几乎与所走过的g·cm^…2数值成正比。
因此，我们看到海平面以上的地球大气，具有大约1000g·cm^…2的厚度，就与10米深的水有着十分近似的吸收特性。也许你会猜到这个结果，因为你会想到大气压强和10米水深的压强一样。假如你潜入海洋的10米深处，身体所受的压强加倍（大气压加上10米水压），同时对宇宙射线粒子的吸收也加倍。
附录3 与宇宙加速器竞赛的意图
在本世纪初的20年间，我们对原子结构的了解有了巨大进展。以卢瑟福1908年所作的著名实验为起点，进入对原子核的研究。他的实验表明，原子由很小的带正电的原子核，和其周围环绕着的电子海洋构成。卢瑟福利用镭在放射性衰变中发射出的高能α粒子（现在已知为氦核）对薄全箔中金原子的构造做了探测。当时，放射性衰变是探测原子核所能利用的高能粒子炮弹的惟一来源。当然，宇宙射线次级粒子总会产生，而且在粒子物理学的早期发现中不少发现就是从宇宙碎片中取得的。但是，宇宙射线是粒子的杂乱无章的汇集，其质量、能量和方向都在变化。像镭这样的放射性源，能产生令人满意的固定能量和固定质量的粒子射束。通过遮挡还能把α粒子调整成很窄的笔直射束。这些都用在了原子结构的早期研究工作中。
但是，典型的镭发射源不能提供高发射率α粒子。于是，物理学家开始考虑制造能产生高能粒子的机器。诺贝尔奖获得者L·阿尔瓦里兹（Luis Alvarez）对那个时期解释道：
令人厌烦的卢瑟福技术操作把大多数有希望的核物理学家拒之门外……提供1微安的经过电加速的轻核，要比全世界供应的全部镭更有价值——如果所提供的粒子具有100万电子伏左右的能量的话。问题在于当时人们还不知道怎样达到如此高的能量。
物理学家们已经认识到，像质子或α粒子这样的带正电荷的粒子，能在电场中加速。曾经作过一些把电极封进抽成真空的玻璃管两端再进行的实验。将其两个电极与高达10000伏左右的电压电源相连。（玻璃管内必须抽成真空。如果其中有空气，就会因电流通过而使电源短路。）玻璃管中电极高压端产生的质子就会被吸引到另一头的电极低压端。在我们这个事例中，吸引过程将把质子加速到10000eV的能量。令人遗憾的是，与100万电子伏的高能目标仍然相距甚远。到了20世纪30年代初，能利用的高压电源的量级只有30000伏。当时人们还确信，要实现所描述的加速设计还牵连着其他技术难题。即便能找到100万伏的高压电源，也未必能作到使玻璃管内的真空条件达到足以避免两极间跳火花的完善程度。换句话说，〃一次射击〃就要把粒子加速到100万电子伏的能量的想法，看来很不实际。
直到1929年，一位年轻的美国物理学家E·劳伦斯（Ernest Lawrence）才摸索到了解决办法。劳伦斯首先认识到，粒子能够连续通过一系列电极对来逐步加速，而每对电极间的电压可以不必很高。他几乎立即又认识到只采用一对电极，通过某种办法使粒子一次又一次地由两极间经过，同样能达到目的。在这里利用磁场就是一个好办法。以一定速度行进的带电粒子在磁场中运动时，因其适当的方向偏转而使路径呈圆形。所以，劳伦斯设计的加速器由两个方面构成，高电压使粒子加速，而磁场使粒子轨迹保持圆形，以便一次又一次地穿过电压差。就这样，回旋加速器诞生了。经过两年的调试之后，这台直径只有1/3米的加速器在1932年2月就能产生能量高达100万电子伏的质子飞弹了！
自从劳伦斯创制出第一台加速器后，60多年里新建造的加速器越来越大，新建加速器所产生的粒子飞弹的能量也越来越高。最大的加速器虽然仍旧采用原回旋加速器的基本设计思想，但却有一个重大区别。因为在磁场中飞行的带电粒子的轨道尺寸与粒子速度成正比并与磁场强度是成反比，所以在设计上据此有了重大改进。劳伦斯加速器中磁场强度是固定的，这就意味着粒子的运行轨道尺寸将随着粒子速度的增加而增大。在更先进的同步回旋加速器中，磁场强度是随着粒子能量的增加而增大的，因此粒子的路径保持着具有不变半径的圆形。当今的粒子加速器，其结构形状与以往大不一样，它是由一根内部抽成真空的，也许直径仅有5厘米粗的很长的管道，弯曲成周长达数千米的巨大圆圈构成的。围绕着这个大圆环在多处设置着强电场，使得轨道中运转的粒子的能量不断提高。围绕着圆环设置的磁铁使粒子轨道总是保持在管道之内，磁场强度随着粒子能量（速度）的增加而增大。
我们在这里举出一个现代同步加速器的实例。在美国伊利诺斯州的费米国家加速器实验室（Fermilab）建造了一台大型的Tevatron对撞机。圆环的周长为6。3千米，装置着1000块超导磁铁。这些强大的磁铁被冷却到…273℃。为了把高速运动着的相对论性粒子保持在管道中的圆形轨道上，这些磁铁提供着必不可少的极其强大的磁场。为了把一群质子加速到获得1万亿电子伏（1TeV）的最高能量，质子需要在巨大的圆环中运转约400000圈。
Tevatron加速器即刻能给出约100亿颗质子，而且它们在环形管道中的轨道结合成紧紧的一束。在同一时间里，把100亿颗反质子（除了带有与质子等量的负电荷外，与质子性质完全相同的粒子）注入环形管道。因为电荷相反，反质子在管道中沿着质子运动相反的方向运动，在质子经过的同一电场中被加速。当加速过程结束时，让这群1TeV能量的质子与反向运动的那群1TeV能量的反质子相互碰撞。通过设置在相互作用点周围的庞大的检测器对每次质子——反质子碰撞中产生的新粒子进行观测。
当前正在动转的最大加速器，位于欧洲原子核研究中心（CERN）。这台称做LEP的粒子碰撞机，圆周长度为267千米，安置在法国和瑞士的边界处地下100米深的隧道里。这台粒子加速器能把电子和正电子加速到50GeV的能量。当前正计划利用同一隧道建造一台质子反质子对撞机，打算把每束粒子的能量加速到7TeV的最高数值。这台新的称做大型强子对撞机（LHC）的粒子加速器，将采用最先进的超导磁体和加速器技术，并计划在2004年投入运行。
现在看来，这台LHC加速器是可以预见的将来最大的人造粒子加速器。美国科学家建议并提出申请报告的另一台更大的加速器计划，已于1993年被美国国会取消。这台申请建造的加速器，称做超导超级对撞机（SSC），其圆形管道的周长超过83千米，打算把质子和反质子加速到20TeV的能量。这个计划的实现需要资金100亿美元。
这些设置在地上的人造加速器尽管规模宏伟和技术先进，但与宇宙加速器比较起来，仍然显得苍白无力和微不足道。我们曾经观测到的最高能量宇宙射线粒子具有3×10^20eV的极高能量，这要比通常Tevatron加速器产生的最高能粒子的能量大1亿倍。极高能宇宙射线粒子发射源的本质到底是什么，在第八章进行讨论。
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□ ＇澳＇罗杰·柯莱等/著 车宝印/译
词 汇 表
白矮星（white dwarf）：小质量恒星寿命终结时遗留下来的裸露而无活动能力的恒星核。这种恒星的半径大小与地球差不多。
超新星（supernova）：大质量恒星寿命终结时发生爆炸，身后遗留下以中子星或黑洞形式存在的恒星核。
次级宇宙射线（secondary cosmic ray）：由初级宇宙射线引发的，作为广延空气簇射组成部分而存在的高速亚原子粒子。
电磁辐射（electromagnetic radiation）：这个辐射家族按能量减小的顺序包括，γ射线、X射线 、紫外光、可见光、红外辐射、微波和无线电波。
电磁级联 （electromagnetic cascade）：由高能γ射线激发的大气中的级联 ，由电子、正电子和γ射线组成。由宇宙射线粒子激发的广延空气簇射，包含着许多电磁级 联，每个级联都是由π个子衰变出的γ射线引发的。
电离（ionization）：原子失掉电子的过程。当带电高速亚原子粒子穿过原子集团时，就会发生电离。
光谱（spectrum）：把光束分解成各种波长的组成部分后的结果。
广延空气簇射（extensive air shower）：当高能宇宙射线粒子与大气原子或分子碰撞时，在地球大气中激发的亚原子粒子级联。
黑洞（black hole）：引力非常强的一种天体。该天体上的逃逸速度比光速大。
红移（redshift）：由退行中的天体发射源射来的光与辐射所产生的多普勒频移。如果红移是宇宙膨胀的结果，根据哈勃定律就能估算出发射源的距离。
活动星系（active galaxy）：发射大量异常的电磁辐射的星系，如赛弗特星系和类星体。
活动星系核（AGN）：具有巨大光度的活动星系的中心核。可能包含着超大质量黑洞。
γ射线（gammarays）：电磁辐射的一种能量最高的形式。
加速器（accelerator）：设计用于增加亚原子粒子速度与能量的装置。宇宙加速器担负着宇宙射线的产生。
类星体（quasar）：表观像恒星，但实际上是处于极其遥远距离上的极具活动能力的星系，即类似恒星的天体。
μ子（muon）：轻子家族中的一种亚原子粒子，电子的姐妹粒子。有带正电荷和负电荷的两个品种，其质量为电子质量的200倍。
能谱（energy spectrum）：对宇宙射线样本能量范围的描绘图，表示成每 一能量上的粒子数目。
π介子（pion）：一种亚原子粒子，有带正电的、带负电的和不带电的三个变种。其质量约为电子的250倍。
契伦科夫光（Cerenkov light）：当带电亚原子粒子在介质中以大于该介质中的光速运动时，介质发射的一种光。这种光的发射方向与引发粒子的运动方向相同。
同位素（isotope）：原子核中有同样数目的质子和不同数目的中子的同一种化学元素可能有若干种，其中任何一种均为该种化学元素的同位素。
X射线双星系统（binary Xray system）：在很近的轨道上相互绕行的恒星对。其中一颗星是致密天体（中子星或黑洞），它从伴星吸引来气体落入热吸积盘，从吸积盘发出X射线。
星系（galaxy）：恒星、星云、星际气体和尘埃的巨大集团。
荧光（flourescent light）：由高速带电亚原子粒子引发的通过原子和分子激发和电离而发射的光。这种光向四面八方发射，不像契伦科夫光那样成射束发射。
宇宙射线（cosmic rays）：从宇宙空间飞来不断轰击地球的具有极高能量的原子核（包括质子）。
宇宙微波背景（cosmic microwave background）：充满整个宇宙的辐射海洋。它是宇宙大爆炸的遗迹，当前其特征温度为27K。
中子（neutron）：电荷为零